模電 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、精選文檔課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 直流穩(wěn)定電源 初始條件：LM317 OP07CP 三極管 穩(wěn)壓管 要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源。二、要求（1）穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍15%20%條件下：a輸出電壓可調(diào)范圍為+9V+12Vb最大輸出電流為1.5Ac電壓調(diào)整率0.2%（輸入電壓220V變化范圍15%20%下，空載到滿載）d負(fù)載調(diào)整率1%（最低輸入電壓下，滿載）e紋波電壓（峰-峰值）5mV（最低輸入電壓下，滿載）f效率40%（

2、輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）g具有過流及短路保護(hù)功能（2）穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為12V的條件下：a輸出電流：420mA可調(diào)b負(fù)載調(diào)整率1%（輸入電壓12V、負(fù)載電阻由200300變化時(shí)，輸出電流為20mA時(shí)的相對(duì)變化率）（3）DC-DC變換器 在輸入電壓為+9V+12V條件下：a輸出電壓為+100V，輸出電流為10mAb電壓調(diào)整率1%（輸入電壓變化范圍+9V+12V）c負(fù)載調(diào)整率1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）d紋波電壓（峰-峰值）100mV （輸入電壓+9V下，滿載）三、發(fā)揮部分（1）擴(kuò)充功能a排除短路故障后，自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)b過熱保護(hù)c防止開、關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“過沖”（

3、2）提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)a提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率b擴(kuò)大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸出電流值（3）改善DC-DC變換器a提高效率（在100V、100mA下）b提高輸出電壓（4）用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流時(shí)間安排： 第18周：理論講解，電路設(shè)計(jì)，實(shí)物焊接及測(cè)試；第19周：答辯指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄1.緒論41.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的與意義41.2實(shí)驗(yàn)要求41.2.1.設(shè)計(jì)任務(wù)41.2.2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求42. 方案設(shè)計(jì)52.1穩(wěn)壓電源的方案設(shè)計(jì)52.1.1直流穩(wěn)壓電源組成及工作原理52.1.2直流穩(wěn)壓電源的方案設(shè)計(jì)72.2穩(wěn)流電源的方案設(shè)計(jì)92.3.DC

4、-DC變換器的方案設(shè)計(jì)102.4整體電路圖123. 仿真與調(diào)試123.1穩(wěn)壓電源部分123.1.1輸出電壓的調(diào)試123.2穩(wěn)流電源部分143.2.1輸出電流的調(diào)試143.3DC-DC轉(zhuǎn)換器的調(diào)試154. 數(shù)據(jù)分析154.1穩(wěn)壓電路測(cè)試結(jié)果154.2穩(wěn)流電路測(cè)試結(jié)果164.3整體分析165. 總結(jié)與體會(huì)166. 實(shí)物制作177. 元件清單198. 參考文獻(xiàn)191.緒論1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的與意義從這學(xué)期開始，我們學(xué)習(xí)了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)這一門課程，雖然也安排了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，但絕大多數(shù)的同學(xué)們依舊停留在理論知識(shí)上，并不能將理論運(yùn)用于實(shí)踐，所以這次模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)課程為我們提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，讓我

5、們能自己設(shè)計(jì)并親自動(dòng)手完成電子設(shè)計(jì)，能基本掌握常用電子電路的一般設(shè)計(jì)方法，提高自身設(shè)計(jì)能力和實(shí)驗(yàn)技能，為將來畢業(yè)走向社會(huì)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.2實(shí)驗(yàn)要求1.2.1.設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源。1.2.2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求（1）穩(wěn)壓電源 在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍15%20%條件下：a輸出電壓可調(diào)范圍為+9V+12Vb最大輸出電流為1.5Ac電壓調(diào)整率0.2%（輸入電壓220V變化范圍15%20%下，空載到滿載）d負(fù)載調(diào)整率1%（最低輸入電壓下，滿載）e紋波電壓（峰-峰值）5mV（最低輸入電壓下，滿載）f效率40%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）g具有過流

6、及短路保護(hù)功能（2）穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為12V的條件下：a輸出電流：420mA可調(diào)b負(fù)載調(diào)整率1%（輸入電壓12V、負(fù)載電阻由200300變化時(shí)，輸出電流為20mA時(shí)的相對(duì)變化率）（3）DC-DC變換器 在輸入電壓為+9V+12V條件下：a輸出電壓為+100V，輸出電流為10mAb電壓調(diào)整率1%（輸入電壓變化范圍+9V+12V）c負(fù)載調(diào)整率1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）d紋波電壓（峰-峰值）100mV （輸入電壓+9V下，滿載）1.2.3.發(fā)揮部分（1）擴(kuò)充功能a排除短路故障后，自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)b過熱保護(hù)c防止開、關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“過沖”（2）提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)a提高電壓調(diào)整率

7、和負(fù)載調(diào)整率b擴(kuò)大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸出電流值（3）改善DC-DC變換器a提高效率（在100V、100mA下）b提高輸出電壓（4）用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流2. 方案設(shè)計(jì)2.1穩(wěn)壓電源的方案設(shè)計(jì)2.1.1直流穩(wěn)壓電源組成及工作原理1. 直流穩(wěn)壓電源幾乎是所有電子設(shè)備不可缺少的。它由變壓器、整流器、濾波器和穩(wěn)壓器四個(gè)部分組成。如圖1所示： 圖12. 直流穩(wěn)壓電源各部分的工作原理。（1） 變壓器：將電網(wǎng)220V電壓變成我們所需要的電壓。（2） 整流器：利用二極管的單向?qū)щ娦?，把交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)直流電壓，一般采用橋式電路，工作原理如如2所示，波形變化如圖3、圖4所示： 圖2 圖3 輸入波形

8、 圖4 輸出波形（3） 濾波器：濾波電路利用電抗性元件對(duì)交流、直流阻抗的不同來實(shí)現(xiàn)濾波，常用的有電容濾波?？梢詫⒄麟娐份敵鲭妷褐械慕涣鞒煞执蟛糠旨右詾V除，使輸出電壓更加平滑。如圖5所示： 圖5 濾波后的波形（4）穩(wěn)壓器：使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。2.1.2直流穩(wěn)壓電源的方案設(shè)計(jì)方案一：三端穩(wěn)壓器LM317作基準(zhǔn)電壓源構(gòu)成穩(wěn)壓電路，可輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，可調(diào)范圍為1.237V，最大輸出電流為1.5A，滿足設(shè)計(jì)需要。并且穩(wěn)壓內(nèi)部含有過流、過熱保護(hù)電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。電路如圖6所示： 圖6方案二：可調(diào)串聯(lián)型反饋式穩(wěn)壓電源。電路如

9、圖7所示： 圖7它經(jīng)過濾波后的部分由基準(zhǔn)電壓、比較放大器、調(diào)整管、取樣電路最后加上限流式保護(hù)組成。由運(yùn)放構(gòu)成深度度負(fù)反饋電路，通過調(diào)節(jié)負(fù)反饋電阻的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓，這里調(diào)節(jié)R3即可實(shí)現(xiàn)+9+12V輸出。限流式保護(hù)電路，當(dāng)發(fā)生短路或過流時(shí)，調(diào)整管的電流超過額定值，限流式保護(hù)電路通過電路中的取樣電阻的反饋?zhàn)饔?，起到使調(diào)整管基極電流分流的作用，從而達(dá)到限制輸出電流的目的。電路的穩(wěn)壓過程：當(dāng)輸入電壓Vi增加，或負(fù)載電阻RL增大時(shí)，都使得Vo增加，于是Vf減小，Vo1減小，管壓降Vce增加，使VO基本保持不變。當(dāng)輸入電壓Vi減小，或負(fù)載電阻RL減小時(shí)，使得Vo減小，于是Vf減小，VO1增加，管壓降Vc

10、e減小，使Vo基本保持不變。參數(shù)確定：該反饋放大器屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋，調(diào)整管的電路組態(tài)屬于射極跟隨器；如果運(yùn)算放大器為理想的條件下，輸出電壓計(jì)算如下：Vo1=Av(VREF FVO)VOVO= VREF 由于理想運(yùn)算放大器其開環(huán)增益無窮大，故反饋深度 >>1，有 Vo=VREF F= Vo=VREF=VZ 從上式可以看出，在基準(zhǔn)電壓VZ確定后，改變可調(diào)電位器R2滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置，就能改變輸出電壓Vo的大小。顯然，當(dāng)R2的滑動(dòng)頭移至下端時(shí)，=0,還可看出，Vo最大，即： Vomax=Vz同理，R2的滑動(dòng)頭移至上端時(shí)，Vo最小，及： Vomin= Vz所以 Vz<Vo< Vz

11、為了提高電源的穩(wěn)壓效果，首先是提高放大電路的增益；其次，應(yīng)提高取樣系數(shù)n，減小信號(hào)電壓的損失；第三，基準(zhǔn)電壓要穩(wěn)定，否則也會(huì)造成 Vo的不穩(wěn)定，而且基準(zhǔn)電壓的不穩(wěn)定是不能由穩(wěn)壓電路的調(diào)整過程進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。調(diào)整管的調(diào)整作用是依靠輸出電壓和給定電壓之間的偏差來實(shí)現(xiàn)的，必須有偏差才能調(diào)整。如果絕對(duì)不變，調(diào)整管的電路參數(shù)也絕對(duì)不變，那么電路也就不能起著調(diào)整作用了，所以不可能達(dá)到絕對(duì)穩(wěn)定，只能基本穩(wěn)定。因此串聯(lián)負(fù)反饋型穩(wěn)壓電路是一個(gè)閉環(huán)有差的調(diào)整系統(tǒng)。穩(wěn)壓系數(shù)Sr為： Sr=可以看出，穩(wěn)壓系數(shù)Sr的大小主要決定于取樣比n和比較放大器的電壓增益Av，n和Av越大，Sr值越小，電源的穩(wěn)定程度越高。最后決定選擇

12、方案二因?yàn)槠浞€(wěn)壓性能較好，適合小電流，調(diào)節(jié)范圍寬廣。仿真電路如圖8所示： 圖8 2.2穩(wěn)流電源的方案設(shè)計(jì)方案一：用12V供電，依靠317的2、3兩端帶隙電壓恒定的特點(diǎn)，用R6與R7的阻值控制輸出電流的大小，達(dá)到輸出穩(wěn)定可調(diào)電流的目的。如圖9所示： 圖92.3 DC-DC變換器的方案設(shè)計(jì)方案一：采用UC3843芯片集成電路，精度高，但是點(diǎn)路過于復(fù)雜，元件多所以不易制作。如圖10所示： 圖10方案二：帶變壓器的開關(guān)電源。由于使用變壓器，可做到輸出電壓范圍寬，開關(guān)管占空比合適。如圖11所示： 圖11方案三：采用Boost型DC-DC升壓器。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但輸入輸出電壓比太大，占空比大，

13、輸出電壓范圍小，難以達(dá)到較高的指標(biāo)。如圖12所示： 圖12最終確定采用方案二，因?yàn)榉桨敢浑娐诽^復(fù)雜，使用元器件太多，方案三又難以達(dá)到較高的指標(biāo)。2.4整體電路圖 圖133.仿真與調(diào)試3.1穩(wěn)壓電源部分3.1.1輸出電壓的調(diào)試1. 最小輸出電壓為8.816V滿足要求。 圖142. 中間可調(diào)。 圖153. 最大電壓輸出13.34V滿足要求。 圖163.1.2紋波電壓的調(diào)試,從圖中可以看出紋波電壓顯示247.391uv，遠(yuǎn)小于5mv，滿足要求。 圖173.2穩(wěn)流電源部分3.2.1輸出電流的調(diào)試1. 最小輸出電流，仿真的最小輸出電流為3.117mA，小于4mA滿足要求。 圖182. 中間可調(diào)。 圖1

14、93. 最大輸出電流為20.045mA大于20mA，滿足要求。 圖203.3DC-DC轉(zhuǎn)換器的調(diào)試1. 輸入電壓為9V時(shí)輸出電壓為105.327V滿足要求。 圖214. 數(shù)據(jù)分析4.1穩(wěn)壓電路測(cè)試結(jié)果在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍15%20%條件下：1. 輸出電壓為8.816-12.341V，滿足要求912V可調(diào)。2. 紋波電壓為247.391uV。4.2穩(wěn)流電路測(cè)試結(jié)果穩(wěn)流電源 在輸入電壓固定為12V的條件下：1. 輸出電流為3.117-20.045mA可調(diào)。4.3整體分析這次的設(shè)計(jì)由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出基本成功，穩(wěn)壓電源、穩(wěn)流電源和DC-DC轉(zhuǎn)換器各個(gè)部分的調(diào)試結(jié)果都和要求相差不大

15、，但是仍然存在一些偏差，這是由于元件本身參數(shù)的誤差，設(shè)計(jì)方案也還有待改進(jìn)的地方。5. 總結(jié)與體會(huì)在這次模電課設(shè)當(dāng)中，遇到了很多的困難。首先是欠缺理論知識(shí)，其次是對(duì)仿真軟件的不熟悉，最后是在實(shí)物制作上缺乏技巧。剛開始的時(shí)候真的覺得摸不著頭腦，不知道該怎么辦，很多原理不清楚，后來經(jīng)過多方查閱資料和同學(xué)們的幫助，才有了思路，設(shè)計(jì)了幾種方案。但是仿真的時(shí)候也由于對(duì)仿真軟件的不熟悉，仿真了很多次也沒仿真出正確的結(jié)果，摸索了很久才慢慢熟悉，經(jīng)過多次的修改最終調(diào)試出了正確的結(jié)果。最后的難題就是實(shí)物的制作，在DC-DC轉(zhuǎn)換器里用的線圈要自己手工繞制而成，這對(duì)我們來說真的是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閷?duì)繞制線圈完全沒有

16、經(jīng)驗(yàn)。花費(fèi)了較多的時(shí)間，最后終于完成了整個(gè)課程設(shè)計(jì)。雖然比較艱難，但在這個(gè)過程也學(xué)到了很多的東西，學(xué)會(huì)了如何將理論運(yùn)用到實(shí)踐，學(xué)會(huì)如何設(shè)計(jì)電子電路并焊接成實(shí)物，對(duì)仿真軟件也更加的熟悉，對(duì)將來的學(xué)習(xí)會(huì)有很大的幫助。同時(shí)此次課程設(shè)計(jì)也讓我發(fā)現(xiàn)了許多學(xué)習(xí)中的問題，今后，將更加努力學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)漏洞，進(jìn)一步提高自己。6. 實(shí)物制作 圖22 圖237. 元件清單元件數(shù)量OP07P11B4B42(6.2V穩(wěn)壓管)1固定電阻 1K歐1固定電阻 1.5K歐2固定電阻 100歐1固定電阻 900歐1固定電阻 92歐1固定電阻 8.7K歐1固定電阻 4.7K歐1固定電阻 1.5K歐1固定電阻680K歐1可變電阻500歐1可變電阻1K歐1電解電容470uF